真菌-纳米颗粒 conjugates 的制备、表征及其絮凝性能研究，旨在高效回收普通小球藻（Chlorella vulgaris）

时间：2026年2月13日

来源：Bioresource Technology Reports

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本研究开发了基于镍氧化物（NiO）和锆氧化物（ZrO）的真菌-纳米粒子复合物，用于快速高效收获栅藻（Chlorella vulgaris）。通过测试不同pH、混合速率、温度及接触时间，发现复合物在2小时内收获效率达94.25%（NiO）和85.67%（ZrO），显著优于单独真菌（<50%）。残留金属少，培养基支持藻类再生，表明该方法环保且可重复利用。

Muhammad Hizbullahi Usman|Abdulrahman Sahabi|Muhammad Bello|Aliyu Ibrahim Dabai

马来西亚理工大学理学院生物科学系，81310，斯库代，柔佛州，马来西亚

摘要

利用真菌辅助的方法进行微藻收割已成为一种环保且高效的方式，该方法能耗低且产量高。然而，该方法仍面临一些挑战，尤其是在收割时间较长方面。为了解决这一问题，本研究重点开发了使用氧化镍（NiO）和氧化锆（ZrO）与真菌颗粒结合的复合物，并将其用于收割普通小球藻（Chlorella vulgaris）。通过Zeta电位、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和Brunauer-Emmett-Teller分析对这种复合物进行了表征。研究了真菌-NiONP和真菌-ZrONP复合物的收割性能，考察了pH值（3–11）、混合速率（120–180 rpm）、温度（30–45°C）和接触时间（30–180分钟）对这些性能的影响。收割后的培养基经过了残留金属检测，并评估了其是否适合小球藻的再培养。结果表明，与单独使用真菌相比，真菌-NiONP和真菌-ZrONP复合物具有更大的表面积和更优的Zeta电位。值得注意的是，这两种复合物在两小时内分别实现了94.25%和85.67%的收割效率（p < 0.05），显著优于单独使用真菌的效果（低于50%）。回收的培养基能够支持小球藻的再生，并且其中的镍和锆残留量极低，表明其对环境的风险较低且具有较好的回收利用性。总体而言，研究结果表明，真菌-纳米颗粒复合物是快速高效回收微藻生物量的有效絮凝剂。

引言

过去十年中，微藻因其可持续性、高生产力、对环境的低影响、能够产生多种生理活性化合物以及快速生长特性而受到广泛关注（Arguelles和Martinez-Goss，2021；Mousavian等人，2023）。微藻存在于多种环境中，如海洋和淡水生态系统（Krivina等人，2023）。它们可以生成有价值的物质，如色素、脂肪酸、抗氧化剂和蛋白质，这些物质在食品、制药、化妆品等多个行业中具有广泛应用（Russell等人，2022）。微藻生物质生产技术被认为是环保的，因为它们在光合作用过程中利用二氧化碳并释放氧气作为副产品（Demirel等人，2018；Dolganyuk等人，2020）。此外，某些微藻物种（如普通小球藻、Nannochloropsis属、Scenedesmus obliquus和Dunaliella属）的干重中脂质含量高达20%至50%，远高于传统油料作物，因此具有更高的油脂产量潜力（Sajjadi等人，2018；Tahir等人，2024）。尽管如此，微藻生物质的生产仍面临高昂的成本和低产量问题（Salim等人，2011；Ananthi等人，2021）。

收割是将微藻生物质从液体培养基中分离出来的关键步骤。由于微藻细胞体积小（2至20微米），且在培养基中易于悬浮，因此收割过程较为复杂（Yin等人，2020）。此外，收割过程本身占总生产成本的20%至30%，这主要是由于能源、资本和运营成本（Salim等人，2011；Ananthi等人，2021）。为此，人们开发了多种收割方法，包括化学方法、离心、过滤和絮凝（Yin等人，2020；Khan等人，2022）。其中，絮凝方法被证明是最实用且经济有效的方法之一，因为它能使微藻细胞聚集成较大的絮体。虽然化学絮凝剂（如金属盐和聚合物）能够有效收割微藻生物质，但它们也存在一些缺点：可能会用金属盐污染生物质，絮凝剂成本较高，且在高浓度使用时会产生有毒污泥（Deepa等人，2023；Shaikh等人，2021）。

生物絮凝是化学絮凝的一种替代方案，尤其是在当前国际上越来越重视环保技术的背景下。最近，利用真菌辅助进行微藻絮凝的方法受到了广泛关注，因为这种方法操作简单且环保（Chu等人，2021；Hadiyanto等人，2023）。具有自颗粒化能力的真菌可以有效地捕获并吸附微藻细胞（Ray等人，2021）。这种技术简化了微藻-真菌生物质的分离过程，可以通过简单的过滤步骤实现（Lal等人，2021；Leng等人，2021）。此外，这两种生物体（微藻和真菌）共同产生的生物质可以提高最终产品的脂质含量（Chu等人，2021；Li等人，2022a，Li等人，2022b；Goswami等人，2024）。然而，真菌辅助微藻絮凝的一个显著挑战是处理速度较慢，需要5到24小时或更长时间才能有效收割分散的微藻细胞（Lal等人，2021；Nie等人，2022；Shitanaka等人，2023）。研究表明，通过将生物絮凝剂与金属结合来增强真菌絮凝效果，可以提高收割效率、缩短沉淀时间并减少金属消耗（Kurniawan等人，2022）。

近年来，纳米材料被认为是一种可行的解决方案，可以解决微藻收割的问题。这是因为纳米材料具有较大的表面积与体积比、独特的物理化学性质以及与微藻生物分子相互作用的能力（Pahariya等人，2023）。特别是氧化镍和氧化锆纳米颗粒，在短时间内（通常几分钟内）就能显著提高微藻的收割效率（Huang和Kim，2016a，Huang和Kim，2016b；Khanra等人，2020a，Khanra等人，2020b）。尽管如此，仍存在一些挑战，尤其是在生物质分离阶段，这需要倾倒、离心和过滤等步骤。大规模应用这些方法会增加成本，限制了其广泛应用（Kishore等人，2023；Roy等人，2021）。此外，纳米颗粒的微小尺寸可能导致环境污染，进一步限制了其实际应用（Mohanty等人，2014）。最近，微生物作为纳米颗粒载体受到了广泛关注，因为它们具有强大的生物活性、快速繁殖能力和易获得性（Li等人，2022a，Li等人，2022b）。其中，能够形成菌丝颗粒的真菌尤为值得注意，因为它们主要由天然聚合物（如几丁质、纤维素和蛋白质）组成，使其成为理想的纳米颗粒载体（Urbar-Ulloa等人，2019）。此外，这些纳米颗粒在附着在真菌表面后仍能保持其性能，不易与真菌蛋白质结合，且具有更好的稳定性和生物相容性（Kadam等人，2019；Zhang等人，2024）。

本研究提出了一种新的生物加工策略，将真菌颗粒与金属氧化物纳米颗粒结合，以解决微藻收割中的关键问题，包括传统真菌辅助方法中较长的收割时间和复杂的生物质分离步骤（如倾倒、离心和过滤）。与传统基于真菌或纳米颗粒的方法不同，这种复合物作为统一的收割系统，增强了表面相互作用，实现了快速高效的生物质回收。据作者所知，此前尚未有使用真菌-纳米颗粒复合物收割普通小球藻的研究报道。因此，本研究重点制备了这种复合物，并通过Zeta电位（ZP）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和Brunauer-Emmett-Teller（BET）分析对其进行了物理化学表征。随后在不同pH值、混合速率、温度和接触时间条件下评估了其收割性能，并评估了回收培养基是否适合微藻的再培养。

化学试剂

本研究中使用的所有化学品和培养基均为分析级，购自Permula Sdn Bhd（马来西亚柔佛州斯库代）。包括马铃薯葡萄糖琼脂（PDA）、马铃薯葡萄糖肉汤（PDB）、氧化镍（NiO）纳米颗粒、氧化锆（ZrO）纳米颗粒、Tween-80、甲醇、氯仿和氯化钾（KCl）。所有试剂均未经进一步纯化直接使用。

微藻来源

本研究选用的普通小球藻（C. vulgaris）菌株（编号OR794275）来自Nanomaterial公司

Zeta电位特性

Zeta电位是颗粒表面电荷的重要指标，直接影响真菌与微藻细胞之间的相互作用（Nie等人，2022）。在本研究中，真菌颗粒的Zeta电位为-5.36 mV，表明其表面带负电荷。这种负电荷会阻碍收割效率，因为普通小球藻（C. vulgaris）细胞也带有负电荷，导致静电排斥。当与纳米颗粒结合后，表面电荷发生了变化：

结论

本研究开发了纳米颗粒改性的真菌复合物，以实现高效和可持续的微藻生物质收割。与单独使用真菌相比，这种复合物具有更好的表面性能，表现出正的Zeta电位和更大的表面积，从而显著提高了生物质回收率。通过优化工艺，确定最佳条件为pH值5、混合速率160 rpm、温度35°C和接触时间120分钟，可实现高效的收割效果。

CRediT作者贡献声明

Muhammad Hizbullahi Usman：撰写初稿、验证、软件应用、方法设计、实验设计、资金获取、数据管理、概念构思。Abdulrahman Sahabi：撰写与编辑、资源协调、方法设计、实验设计。Muhammad Bello：撰写与编辑、数据可视化、软件应用、方法设计、数据分析、概念构思。Aliyu Ibrahim Dabai：撰写与编辑、验证、实验监督、资源协调、方法设计、数据管理、概念构思。